CN106194293B - 一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统 - Google Patents

一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统。将塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧相结合，同时将槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧相结合。在接收太阳辐射的情况下，根据太阳能辐射情况，槽式太阳能集热系统替代1#高温加热器和2#高温加热器的部分受热面，以降低汽轮机高压缸的抽汽量；同时，塔式太阳能集热系统替代再热蒸汽侧部分受热面，以保证锅炉机组的稳定安全运行。当太阳辐射变化时，通过调节槽式太阳能集热系统侧的给水流量以及塔式太阳能集热系统侧的冷再热蒸汽流量，实现太阳能与常规火电燃煤机组的互补运行。本发明为传统燃煤火电厂节能改造提出了更为稳定实际的集成思路。

Description

一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统
技术领域
本发明属于太阳能与燃煤火电机组集成发电技术领域，特别涉及一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统。
背景技术
目前，我国新建的高参数、大容量的超临界和超超临界机组的效率已经接近或达到国际先进水平，进一步提高参数、增大容量来提高机组效率的途径会受到材料等技术瓶颈的制约，单纯从机组内部上考虑，进一步降低煤耗的潜力已经很小。以及常规燃煤发电系统中，化石能源的大量消耗，造成了诸如雾霾、酸雨等环境问题，同时还产生大量温室气体CO2，带来一系列气候变化问题，严重影响了人们的生产和生活安全。另外，不可再生的化石能源的日益枯竭和人类对于能源的不断增长的需求，已经成为制约人类社会发展的一个重要因素。太阳能是地球上所有能源的来源，同时相比于化石能源，太阳能可以说是取之不尽、用之不竭的，而且太阳能具有清洁无污染的特点，得到了各国的充分重视。
现在的太阳能热发电技术主要分为菲涅耳式、槽式、塔式、碟式四种。与槽式和菲涅耳太阳能相比，塔式太阳能集热温度更高，效率更好，建厂条件要求低；与塔式太阳能相比，碟式太阳能热发电技术正处于研究、实验阶段，且其成本更高；故塔式太阳能热发电是未来最适合大规模发电、最有应用前景的发电技术。但是若是太阳能集热系统单独发电，需要昂贵的蓄热设施，而且现在蓄热技术不稳定且成本很大，故太阳能集热系统与其他发电形式结合起来，取消蓄热设施会有很大应用前途。
综上所述，将太阳能热发电技术与成熟的常规发电技术整合，进行多能源互补发电，实现深层次的技术节能，既可降低开发利用太阳能的技术和经济风险，有效解决太阳能利用不稳定和蓄热技术不成熟等技术瓶颈问题，实现高效、低成本地利用太阳能，又可以进一步降低电厂煤耗，节约化石能源。但是传统常规燃煤电厂和槽式太阳能集热系统有效集成多集中在机组的回热系统上，即采用槽式太阳能能量代替一些机组的回热器中的抽汽去提高锅炉给水的温度，但这种集成方式会带来抽汽量减少，再热蒸汽流量增大进而给锅炉机组稳定安全运行带来一定隐患。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统。
一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统，将塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧相结合，同时将槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧相结合，从而将槽式太阳能集热系统和塔式太阳能集热系统同时集成在燃煤发电系统中；
太阳能集热塔32、第二换热器30和熔盐泵31依次连接形成熔盐的闭合回路；汽轮机高压缸的冷再热蒸汽出口与蒸汽分流器33连接，蒸汽分流器33的出口分为两路，一路经第二换热器30与蒸汽混合器34的入口连接，另一路依次经低温再热器和高温再热器与蒸汽混合器34的入口连接，蒸汽混合器34的出口连接至汽轮机中压缸的进口；
槽式太阳能集热场29、第一换热器27和油泵28依次连接形成导热油的闭合回路；3#高温加热器的给水出口与给水分流器35的入口连接，给水分流器35的出口分为两路，一路经第一换热器27与给水混合器36的入口连接，另一路依次经2#高温加热器、1#高温加热器与给水混合器36的入口连接，给水混合器36的出口分别连接至低再侧省煤器和低过侧省煤器的给水入口。
进一步地，第一换热器27与给水混合器36之间设有给水泵以平衡给水压力。
一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法：
将塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧相结合，同时将槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧相结合，从而将槽式太阳能集热系统和塔式太阳能集热系统同时集成在燃煤发电系统中；
熔盐至太阳能集热塔32中吸收热量后输送至第二换热器30；在汽轮机高压缸做完功后的冷再热蒸汽进入蒸汽分流器33，由蒸汽分流器33控制分为两路，一路冷再热蒸汽经第二换热器30吸收熔盐中的热量，另一路冷再热蒸汽依次经过低温再热器和高温再热器进行再热；两路再热蒸汽均达到设计温度参数后进入蒸汽混合器34混合，然后依次进入汽轮机中压缸和汽轮机低压缸做功；
导热油至槽式太阳能集热场29中吸收热量后输送至第一换热器27；3#高温加热器的给水进入给水分流器35，由给水分流器35控制分为两路，一路给水经第一换热器27吸收导热油中的热量，另一路给水依次经过2#高温加热器和1#高温加热器进行预热；两路给水均达到锅炉给水设计温度参数后进入给水混合器36混合，然后分别进入低再侧省煤器和低过侧省煤器进行预热后进入锅炉的水冷壁受热蒸发。
进一步地，第一换热器27与给水混合器36之间设有给水泵以平衡给水压力。
为了避免太阳能集热系统集成于燃煤发电系统后对系统的安全运行以及经济性产生较大的影响，通过控制槽式太阳能集热系统侧的给水流量和/或塔式太阳能集热系统侧的冷再热蒸汽流量，保证锅炉的热负荷分布比例保持稳定，保证锅炉出口的主蒸汽参数以及再热蒸汽参数均能达到设计值。
通过控制导热油以及进入第一换热器27的给水的流量，来维持槽式太阳能集热场29出口导热油温度以及第一换热器27出口给水温度的稳定。
通过控制熔盐以及进入第二换热器30的蒸汽的流量，来维持太阳能集热塔32出口熔盐温度以及第二换热器30出口蒸汽温度的稳定。
在确定槽式太阳能集热系统导热油集热温度以及塔式太阳能集热系统熔盐集热温度的情况下，分别通过控制导热油以及熔盐的流速来适应太阳能辐射变化带来的能量收益的波动。
工作原理为：在接收太阳辐射的情况下，根据太阳能辐射情况，槽式太阳能集热系统替代1#高温加热器和2#高温加热器的部分受热面，以降低汽轮机高压缸的抽汽量；同时，塔式太阳能集热系统替代再热蒸汽侧部分受热面，以保证锅炉机组的稳定安全运行。当太阳辐射变化时，通过调节槽式太阳能集热系统侧的给水流量以及塔式太阳能集热系统侧的冷再热蒸汽流量，实现太阳能与常规火电燃煤机组的互补运行。通过合理选择导热油的集热出口温度以及熔盐的集热出口温度来提升集成新系统的热力学性能以及太阳能利用率。当太阳辐射不足或者有一个太阳能子系统故障时，同时切停两个太阳能集热系统，火电厂系统切换回原火力发电工况。
本发明的有益效果为：
本发明提出的同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统，是将太阳能侧和锅炉侧更加有效的结合起来，保证各级汽轮机组进汽量、温度、压力等各项参数的稳定。即利用槽式太阳能集热系统集成高温加热器部分加热锅炉给水，同时也降低了高压缸的蒸汽抽汽量，这种集成方式下会造成再热蒸汽量的增加，引起锅炉内部热负荷分配比例的变化，因此，在本发明提出的方案中，再将塔式太阳能集热系统集成于冷再热蒸汽段，将部分冷再热蒸汽抽出并利用太阳能加热，既起到了节煤降耗的作用，又保证了锅炉机组的稳定运行。
本发明是针对于太阳能集热系统集成于常规燃煤火电机组的发电系统，提出了对现有机组的改造变动以及安全性影响较小的集成方案，解决了由于槽式太阳能集热系统集成于常规燃煤火电机组产生的锅炉运行方面的安全性和效率的影响，避免了纯太阳能热发电受季节与天气影响导致的不稳定性问题，还充分利用的常规燃煤火电机组发电成本低、性能稳定等优点；部分集成降低了太阳能镜场的占地面积，同时对常规燃煤火电机组的节能降耗也起到了显著地帮助作用，为传统燃煤火电厂节能改造提出了更为稳定实际的集成思路。
附图说明
图1为常规燃煤发电系统的流程示意图，作为基准系统；
图2为一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的流程示意图。
标号说明：1-锅炉；2-屏式过热器；3-高温过热器；4-高温再热器；5-低温再热器；6-低温过热器；7-低再侧省煤器；8-低过侧省煤器；9-空气预热器；10-汽水分离器；11-汽轮机高压缸；12-汽轮机中压缸；13-汽轮机低压缸；14-发电机；15-凝汽器；16-低压给水泵；17-8#低温加热器；18-7#低温加热器；19-6#低温加热器；20-5#低温加热器；21-小汽轮机；22-除氧器；23-高压给水泵；24-3#高温加热器；25-2#高温加热器；26-1#高温加热器；27-第一换热器；28-油泵；29-槽式集热镜场；30-第二换热器；31-熔盐泵；32-太阳能集热塔；33-蒸汽分流器；34-蒸汽混合器；35-给水分流器；36-给水混合器；37-定日镜场。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1为常规燃煤发电系统流程示意图，其作为基准系统。给水依次经8#低温加热器17、7#低温加热器18、6#低温加热器19、5#低温加热器20、3#高温加热器24、2#高温加热器25和1#高温加热器26预热后，进入低再侧省煤器7和低过侧省煤器8进一步预热，然后进入锅炉1的水冷壁受热蒸发，经汽水分离器10进行汽水分离后，过热蒸汽依次经过低温过热器6、屏式过热器2和高温过热器3进行吸热，达到主蒸汽设计温度参数后进入汽轮机高压缸11做功。汽轮机高压缸11做功后的冷再热蒸汽依次经过低温再热器5和高温再热器4进行再热，达到再热蒸汽设计温度参数后进入汽轮机中压缸12，依次经汽轮机中压缸12和汽轮机低压缸13做功。汽轮机与发电机14轴连接，进行发电。
汽轮机设八段非调整抽汽，一、二、三段抽汽分别供至1#高温加热器26、2#高温加热器25和3#高温加热器24，四段抽汽供给小汽轮机23、除氧器22和辅助蒸汽系统等，五、六、七、八段抽汽分别供至5#低温加热器20、6#低温加热器19、7#低温加热器18和8#低温加热器17。汽轮机排汽进入凝汽器15，凝结水进入给水系统循环利用。
图2是在图1所示基准系统的基础上，增设塔式太阳能集热系统和槽式太阳能集热系统，得到的一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统。
如图2所示，塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧耦合。塔式太阳能集热系统以氯化钾KCl、氯化锂LiCl中的一种或两种熔盐作为吸热工质，太阳能集热塔32、第二换热器30和熔盐泵31依次连接形成熔盐的闭合回路。熔盐进入太阳能集热塔32吸收来自定日镜场37反射的太阳能，吸收热量后进入第二换热器30将热量传递给蒸汽。在汽轮机高压缸11做完功后的冷再热蒸汽进入蒸汽分流器33，由蒸汽分流器33控制分为两路，一路冷再热蒸汽经第二换热器30吸收熔盐中的热量；另一路冷再热蒸汽依次经过低温再热器5和高温再热器4进行再热；两路再热蒸汽均达到设计温度参数后进入蒸汽混合器34混合，然后依次进入汽轮机中压缸12和汽轮机低压缸13做功。
槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧耦合。槽式太阳能集热系统以VP-1导热油作为吸热工质，槽式太阳能集热场29、第一换热器27和油泵28依次连接形成导热油的闭合回路。VP-1导热油进入槽式太阳能集热场29吸收槽式镜场反射聚焦的太阳能，吸收热量后进入第一换热器27将热量传递给给水。3#高温加热器24的给水进入给水分流器35，由给水分流器35控制分为两路，一路给水经第一换热器27吸收导热油中的热量，另一路给水依次经过2#高温加热器25和1#高温加热器26进行预热；两路给水均达到锅炉给水设计温度参数后进入给水混合器36混合，然后分别进入低再侧省煤器7和低过侧省煤器8进行预热后进入锅炉1的水冷壁受热蒸发。由于经过槽式太阳能集热系统的给水压降与经过2#高温加热器25和1#高温加热器26的给水压降不同而导致锅炉进口水温不匹配，可以在第一换热器27之后的给水管道增加一个给水泵以匹配给水压力。
燃煤发电系统的其他部分仍然按照其常规方式稳定运行。
下面结合算例，对本发明的效果进行说明。
系统初始条件：
以原电厂未集成太阳能系统燃煤机组系统作为基准系统，基准系统和集成太阳能的新型发电系统基于相同的假设和相同的参数值。系统假设及条件见下表1。燃料煤的元素分析：C 61.45％，H 3.95％，O 9.95％，N 0.70％，S 0.45％，灰分8.5％，水分15％。煤的低位热值为23500kJ/kg。以THA工况为参比系统，将模拟结果进行对比。
表1热力学分析基础数据
表2效率比较
由表2可知，基准系统的发电效率为45.11％，在同时集成槽式太阳能集热系统和塔式太阳能集热系统方式下电厂系统效率有所提升，功率不变型和功率增大型的工艺方式均分别将电厂效率提升到了47.70％和46.95％，分别较相同条件下的基准系统效率提高了2.59个百分点和1.8个百分点，发电折标煤耗降低到了257.84g/kWh和261.99g/kWh，分别较相同条件下的基准系统效率降低了14.84g/kWh和10.69g/kWh，显示出本发明系统达到了预期的有益效果。

Claims (7)

1.一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统，其特征在于，将塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧相结合，同时将槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧相结合，从而将槽式太阳能集热系统和塔式太阳能集热系统同时集成在燃煤发电系统中；
太阳能集热塔(32)、第二换热器(30)和熔盐泵(31)依次连接形成熔盐的闭合回路；汽轮机高压缸的冷再热蒸汽出口与蒸汽分流器(33)连接，蒸汽分流器(33)的出口分为两路，一路经第二换热器(30)与蒸汽混合器(34)的入口连接，另一路依次经低温再热器和高温再热器与蒸汽混合器(34)的入口连接，蒸汽混合器(34)的出口连接至汽轮机中压缸的进口；
槽式太阳能集热场(29)、第一换热器(27)和油泵(28)依次连接形成导热油的闭合回路；3#高温加热器的给水出口与给水分流器(35)的入口连接，给水分流器(35)的出口分为两路，一路经第一换热器(27)与给水混合器(36)的入口连接，另一路依次经2#高温加热器、1#高温加热器与给水混合器(36)的入口连接，给水混合器(36)的出口分别连接至低再侧省煤器和低过侧省煤器的给水入口。
2.根据权利要求1所述一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统，其特征在于，第一换热器(27)与给水混合器(36)之间设有给水泵以平衡给水压力。
3.一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，将塔式太阳能集热系统与燃煤发电系统的再热蒸汽侧相结合，同时将槽式太阳能集热系统与燃煤发电系统的高加侧相结合，从而将槽式太阳能集热系统和塔式太阳能集热系统同时集成在燃煤发电系统中；
熔盐至太阳能集热塔(32)中吸收热量后输送至第二换热器(30)；在汽轮机高压缸做完功后的冷再热蒸汽进入蒸汽分流器(33)，由蒸汽分流器(33)控制分为两路，一路冷再热蒸汽经第二换热器(30)吸收熔盐中的热量，另一路冷再热蒸汽依次经过低温再热器和高温再热器进行再热；两路再热蒸汽均达到设计温度参数后进入蒸汽混合器(34)混合，然后依次进入汽轮机中压缸和汽轮机低压缸做功；
导热油至槽式太阳能集热场(29)中吸收热量后输送至第一换热器(27)；3#高温加热器的给水进入给水分流器(35)，由给水分流器(35)控制分为两路，一路给水经第一换热器(27)吸收导热油中的热量，另一路给水依次经过2#高温加热器和1#高温加热器进行预热；两路给水均达到锅炉给水设计温度参数后进入给水混合器(36)混合，然后分别进入低再侧省煤器和低过侧省煤器进行预热后进入锅炉的水冷壁受热蒸发。
4.根据权利要求3所述一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，第一换热器(27)与给水混合器(36)之间设有给水泵以平衡给水压力。
5.根据权利要求3所述一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，通过控制槽式太阳能集热系统侧的给水流量和/或塔式太阳能集热系统侧的冷再热蒸汽流量，保证锅炉的热负荷分布比例保持稳定，保证锅炉出口的主蒸汽参数以及再热蒸汽参数均能达到设计值。
6.根据权利要求3所述一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，通过控制导热油以及进入第一换热器(27)的给水的流量，来维持槽式太阳能集热场(29)出口导热油温度以及第一换热器(27)出口给水温度的稳定；和/或
通过控制熔盐以及进入第二换热器(30)的蒸汽的流量，来维持太阳能集热塔(32)出口熔盐温度以及第二换热器(30)出口蒸汽温度的稳定。
7.根据权利要求6所述一种同时集成槽式、塔式太阳能集热系统的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，在确定槽式太阳能集热系统导热油集热温度以及塔式太阳能集热系统熔盐集热温度的情况下，分别通过控制导热油以及熔盐的流速来适应太阳能辐射变化带来的能量收益的波动。
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